Translated title: Irreversibilidad en el comportamiento adsortivo-desortivo de contaminantes en suelos y sedimentos: evaluación cuantitativa por medio de un coeficiente de histéresis diferencial

Abstract

Se propone un nuevo coeficiente de histéresis y se examina su utilidad para determinar el comportamiento de adsorción-desorción de contaminantes en sedimentos y suelos. Para varios contaminantes y matrices sólidas tales como sedimentos, la ruta de desorción es diferente de la de adsorción. Este fenómeno es conocido como histéresis. En este trabajo se define un coeficiente de histéresis CH como la razón de la pendiente (derivada) de la curva de adsorción y la pendiente de la curva de desorción en un punto dado (Cj,qj) de interés. Se demuestra que: i) CH es adimensional y cuando la histéresis no es importante, CH=1, esto es, la adsorción es reversible, mientras que cuando la histéresis es importante, CH>1, esto es, la adsorción es irreversible; ii) el CH puede ser determinado en cualquier punto (Cj,qj) de interés de la curva de adsorción, realizando unos pocos pasos consecutivos de desorción, no habiendo necesidad de determinar el ciclo completo de adsorción-desorción; iii) existen también ecuaciones analíticas, particulares y simples para encontrar CH para los modelos de isotermas lineal, Freundlich y Langmuir; y iv) el CH muestra varias ventajas sobre los bien conocidos índices de histéresis definidos por Huang y Weber (1997) y Ma et al. (1993). Utilizando datos experimentales de la literatura arbitrada, también se demuestra que el CH es útil y provee una base cuantitativa para i) comparar la irreversibilidad de la adsorción de diferentes contaminantes individuales sobre un suelo dado; ii) comparar la irreversibilidad de la adsorción de un contaminante dado sobre suelos diferentes; iii) determinar el efecto del añejamiento y de la exposición a la intemperie sobre la irreversibilidad de la adsorción.

Translated abstract

A new hysteresis coefficient is proposed and its usefulness for determining the adsorption-desorption behavior of pollutants on sediments and soils is examined. In sediment pollution and remediation, adsorption and desorption play a key role on pollutants availability and transport. For several pollutants and solid matrices such as sediments and soils, the desorption pathway is different from that of the adsorption. This phenomenon is known as hysteresis. Here, a hysteresis coefficient CH is defined as the ratio of the slope (derivative) of the adsorption curve and the slope of the desorption curve in a given point (Cj,qj) of interest. It is demonstrated that: i) CH is dimensionless; ii) when hysteresis is not important, CH =1, i.e., the adsorption is reversible; iii) when hysteresis is important, CH >1, i.e., the adsorption is irreversible; iv) the greater the hysteresis, the greater the CH; v) the CH can be determined at any convenient point (Cj, qj) of interest of the adsorption curve, peforming a few consecutive desorption steps, and there is no need to determine the full adsorption-desorption cycle; vi) there exist also analytical, particular, simple equations for finding CH for the linear, Freundlich and Langmuir isotherm models; vii) the CH shows several advantages over the well known hysteresis indices defined by Huang and Weber (1997) and Ma et al. (1993). Using experimental data from refereed literature, it is also shown that the CH provides a quantitative basis for i) comparing the irreversibility of the adsorption of different individual pollutants on a given soil; ii) comparing the irreversibility of the adsorption of a given pollutant on different soils; iii) determining the effect of aging and weathering on adsorption irreversibility. Overall, the CH allows for the quantitative determination of pollutant availability and this, in turn, could be a valuable tool for estimating the remediation potential of polluted sediments.

Translated abstract

É proposto um novo coeficiente de histérese e se examina sua utilidade para determinar o comportamento de adsorção-desorção de contaminantes em sedimentos e solos. Para vários contaminantes e matrizes sólidas tais como sedimentos, a rota de desorção é diferente da de adsorção. Este fenômeno é conhecido como histérese. Neste trabalho se define um coeficiente de histérese CH como a razão da pendente (derivada) da curva de adsorção e a pendente da curva de desorção em um ponto dado (Cj,qj) de interesse. Se demonstra que: i) CH é adimensional e quando a histérese não é importante, CH=1, isto é, a adsorção é reversível, enquanto que quando a histérese é importante, CH>1, isto é, a adsorção é irreversível; ii) o CH pode ser determinado em qualquer ponto (Cj,qj) de interesse da curva de adsorção, realizando uns poucos passos consecutivos de desorção, não tendo necessidade de determinar o ciclo completo de adsorção-desorção; iii) existem também equações analíticas, particulares e simples para encontrar CH para os modelos de isotermas linear, Freundlich, Langmuir; e iv) o CH mostra várias vantagens sobre os bem conhecidos índices de histérese definidos por Huang e Weber (1997), e Ma et al. (1993). Utilizando dados experimentais da literatura arbitrada, também se demonstra que o CH é útil e fornece uma base quantitativa para i) comparar a irreversibilidade da adsorção de diferentes contaminantes individuais sobre um solo dado; ii) comparar a irreversibilidade da adsorção de um contaminante dado sobre solos diferentes; iii) determinar o efeito de envelhecimento e da exposição à intempérie sobre a irreversibilidade da adsorção.